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1、. . . . . 激光技术的应用与发展 论文 系 别 专 业 班 级 姓 名 学 号 摘要 自1960年第一台红宝石激光器问世以来，激光器和激光放大器的发展非常迅速。激光工作物质已包括晶体、玻璃、光纤、气体、半导体、液体及自由电子等数百种之多。激光作为新型强相干光源的出现，是现代信息光学发展的三大事件之一。激光器所辐射的光束因具有高方向性、高单色性、高亮度、高相干性四大宏观特性导致了光学领域的巨大革命，同时对整个科学领域的进步和发展起到了巨大帮助，已被广泛的运用到了工农业生产、科学、医学、国防等各个领域，带动了许多新兴学科的发展。随着激光技术的不断发展和成熟，必将对我们的生活生产和科技起到不
2、可估量的作用。关键词：激光、医学、军事、生物目 录引 言1第一章关于激光的概述11.1 激光的产生与发展11.2 激光的特性2第二章激光技术的应用42.1 激光技术在医学上的应用42.2 激光技术在工业领域的应用52.3 激光技术在军事上的应用7第三章光纤激光器的发展现状103.1 国外的发展现状103.2 国内的发展现状12第四章激光技术的发展前景12参考文献14引 言激光最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意
3、思是“通过受激辐射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程，激光的原理早在 1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激辐射”改称“激光”。激光应用很广泛，主要有激光打标、光纤通信、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光切割、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器等等。第一章 关于激光的概述1.1 激光的产生与发展激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。激光的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦
4、发现，但直到 1960 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。发展时间：1917年：爱因斯坦提出“受激发射”理论，一个光子使得受激原子发出一个相同的光子。1953年：美国物理学家Charles Townes用微波实现了激光器的前身：微波受激发射放大（英文首字母缩写maser）1957年：Townes的博士生Gordon Gould创造了“
5、laser”这个单词，从理论上指出可以用光激发原子，产生一束相干光束，之后人们为其申请了专利，相关法律纠纷维持了近30年。1960年：美国加州Hughes 实验室的Theodore Maiman实现了第一束激光1961年：激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。1962年：发明半导体二极管激光器，这是今天小型商用激光器的支柱。1969年：激光用于遥感勘测，激光被射向阿波罗11号放在月球表面的反射器，测得的地月距离误差在几米范围内。1971年：激光进入艺术世界，用于舞台光影效果，以及激光全息摄像。英国籍匈牙利裔物理学家Dennis Gabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。1974年：第一个超
6、市条形码扫描器出现1975年：IBM投放第一台商用激光打印机1978年：飞利浦制造出第一台激光盘（LD）播放机，不过价格很高1982年：第一台紧凑碟片（CD）播放机出现，第一部CD盘是美国歌手Billy Joel在1978年的专辑52nd Street。1983年：里根总统发表了“星球大战”的演讲，描绘了基于太空的激光武器1988年：北美和欧洲间架设了第一根光纤，用光脉冲来传输数据。1990年：激光用于制造业，包括集成电路和汽车制造1991年：第一次用激光治疗近视，海湾战争中第一次用激光制导导弹。1996年：东芝推出数字多用途光盘（DVD）播放器2008年：法国神经外科学家使用广导纤维激光和微
7、创手术技术治疗了脑瘤2010年：美国国家核安全管理局（NNSA）表示，通过使用192束激光来束缚核聚变的反应原料、氢的同位素氘（质量数2）和氚（质量数3），解决了核聚变的一个关键困难。1.2 激光的特性1）定向发光普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似
8、平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。天文学家相信，外星人或许正使用闪烁的激光作为一种宇宙灯塔来尝试与地球进行联系。2）亮度极高在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑肉眼可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。激光的亮度
9、与阳光之间的比值是百万级的，而且它是人类创造的。3）颜色极纯光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳辐射出的可见光段的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氖灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氖灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。
10、激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到210-9纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。4）能量密度极大光子的能量是用E=hv来计算的，其中h为普朗克常量，v为频率。由此可知，频率越高，能量越高。激光频率范围3.8461014 Hz到7.8951014 Hz。第二章 激光技术的应用 激光技术在医学上的应用激光是一方向性强，单色性能好和能高度集中的相干光束，利用透镜能聚焦成非常小的光点，在光点上其能量密度非常高，并且可以在几个微秒或几个毫秒之内发生作用，激光的光点经聚焦以后其
11、直径可达几十个微米，因而在治疗时可以精确地选择病变部位。 激光以其特有的优越性能解决了许多传统医学的难题。激光治疗最早应用于眼科，对视网膜剥离、眼底血管病变、虹膜切开、青光眼等一大批眼科疾患均能用激光治疗。激光手术刀具有术中出血少，可减少细菌感染等优点。激光与中医针灸术结合而形成的“光针”，对镇痛、哮喘、遗尿、高血压等有一定疗效。激光技术为现代医学提供了一种“神力”，能够治疗内科、外科、眼科、皮肤、肿瘤和耳鼻喉科的100多种疾病。 激光医学在临床上的应用主要分为三大部分,包括:激光在基础医学研究中的应用,主要是通过激光与人体器官组织、细胞和生物分子的相互作用来研究激光的生物效应。激光诊断,是以
12、激光作为信息载体,利用激光单色性好的特点,对组织病理形态、病理情况下的功能及找出某些致病因素等方面进行光谱分析。激光治疗,是以激光作为能量载体,利用激光对组织的生物学效应进行治疗,多年来,激光技术已成为临床治疗的有效手段,也成为发展医学诊断的关键技术，包括：弱激光治疗，高强度激光手术，激光动力学疗法(光化学疗法)，激光诊断。激光技术在工业领域的应用 激光因具有单色性、相干性、和平行性三大优点，将此应用于材料加工，形成一门新型的加工工业激光工业。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，与计算机数控技术相结合，可构成高效自动化加工设备。广泛应用于汽车
13、、电子、电器、航空、冶金、机械制造等重要部门，对提高劳动生产率、产品质量、自动化、无污染、减少材料消耗等起重要作用。经过不断的研究开发，激光已经广泛应用于切削加工、焊接、表面工程技术、非金属材料和硬质合金加工等方面。 在汽车工业中,激光加工通常以切割为主。激光切割一般采用基模或低阶模大功率器,激光束经聚焦后具有极高的功率密度,可使材料产生汽化或熔化现象。由于金属表面对于波长为1016Lm的CO2激光反射率高,为了提高切割速度和切割质量,在切割金属工件往往吹送氧气或压缩空气,以提高切割效率,而在切割易燃材料时则吹送氮气等惰性气体以防止燃烧。6激光切割具有许多优点:缝窄(011mm015mm),节
14、省材料; 工件热变形小;只须定位而不需夹紧、划线,工件无机械应力及表面损伤;能切割脆性材料,和极软、极硬的材料,包括淬火钢;切口平行度好、切边洁净,可直接用于焊接;切割速度高(可达10mmin以上),无工具磨损;易于实现数控或计算机控制,并可多工位操作等。现代激光切割技术已经发展成完备的激光切割系统,除功率大、模式好的激光器外还配有滚珠丝杠传动的高精度工作台,由计算机控制,通过多坐标联动可以实现各种复杂的平面或空间图形的切割,甚至还研制出加工精度更高、柔性更好的激光切割机器人。 在许多国外汽车制造公司中,激光切割技术的应用非常普遍。如在样车研制和小批量生产中,常使用三维以上的激光切割加工系统,切割各种板件。在生产线上,则采用激光切割机器人对已经冲压成型的部件进行在线立体切割。高效激光切割系统的应用,大幅度缩短了新车的研制时间和汽车的生产准备周期,使生产实现了自动化和柔性化。据报道,汽车制造中激光切割加工比传统机械加工方式的加工费用减少了50%左右,且生产效率也得到了大幅度的提高。 可以预见,随着消费者对汽车日趋个性化的追求,小批量、多品种必然成为汽车制造的潮流,且随着科技的发展,激光切割系统质量不断提高、价格逐渐下降,激光切割技术将在汽车工业中获得更加
